AT89C51單片機(jī)高速串行輸出口設(shè)計(jì)

AT89C51（與MCS-51兼容）單片機(jī)的串行口在方式0工作狀態(tài)下，使用移位寄存器芯片可以擴(kuò)展多個(gè)8位并行I/O口。在LED點(diǎn)陣顯示屏應(yīng)用系統(tǒng)中，一般都采用數(shù)據(jù)同步移位輸出方式，并使用移位寄存器芯片（如74LS595）擴(kuò)展并行I/O口驅(qū)動(dòng)LED點(diǎn)陣顯示。LED 點(diǎn)陣顯示采用掃描方式，為不產(chǎn)生閃爍感，每秒需要傳送50屏點(diǎn)陣顯示數(shù)據(jù)，因此有大量的數(shù)據(jù)要通過同步移位的方式送到顯示驅(qū)動(dòng)電路部分，這就要求單片機(jī)能夠快速地輸出數(shù)據(jù)。AT89C51單片機(jī)的串行口在方式0工作狀態(tài)下，數(shù)據(jù)以fosc/12的波特率輸出，1個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù)寫入SBUF后，需檢查中斷標(biāo)志位 TI是否為“1”并清“0”TI或延時(shí)幾個(gè)機(jī)器周期后才能繼續(xù)寫入了一個(gè)數(shù)據(jù)，輸出速度慢。在LED點(diǎn)陣顯示屏應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)與PC機(jī)之間的通訊需要使用單片機(jī)的串行口，顯示數(shù)據(jù)的同步移位輸出口只有另外擴(kuò)展。本文介紹的高速串行同步移位輸出口（以下簡稱擴(kuò)展串行口）電路，采用模塊化設(shè)計(jì)，給出基于 TTL和PLD兩種電路的實(shí)現(xiàn)方案，波特率提高到fosc，數(shù)據(jù)輸出不需要等待或延時(shí)。

一、擴(kuò)展串行口與單片機(jī)的連接

擴(kuò)展串行口電路框圖如圖1所示。與并行存儲(chǔ)器芯片類似，擴(kuò)展串行口被視為一個(gè)外部RAM地址單元，直接掛接在AT89C51的外部數(shù)據(jù)總線上，D0～D7為數(shù)據(jù)線，CE為片選信號，WE為寫脈沖信號，也是擴(kuò)展串行口的輸出控制信號。AT89C51 外接晶體振蕩器的振蕩信號經(jīng)二個(gè)與非門整形后為擴(kuò)展串行口提供時(shí)鐘脈沖XTAL2。DAT和CLK分別是擴(kuò)展串行口的數(shù)據(jù)輸出端和同步移位脈沖輸出端。

二、操作指令

假設(shè)AT89C51分配給擴(kuò)展串行口的地址是0000H，使用MOVX@DPTR，A或MOVX@R0，A指令將數(shù)據(jù)寫入擴(kuò)展串行口并移位數(shù)據(jù)。下面的程序段將內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)首址為30H的32字節(jié)數(shù)據(jù)送擴(kuò)展串行口同步移位輸出：
MOV P2，#00H ；設(shè)置擴(kuò)展串行口地址高8位
MOV R1，#30H ；設(shè)置內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)首址
MOV R7，#32 ；輸出字節(jié)個(gè)數(shù)
LOOP：MOV A，@R1 ；從內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)讀入1字節(jié)
INC R1 ；指向內(nèi)部RAM數(shù)據(jù)區(qū)下一個(gè)地址單元
MOVX @R0，A ；數(shù)據(jù)送擴(kuò)展串行口輸出
DJNZ R7，LOOP ；32字節(jié)未送完繼續(xù)
RET

三、基于TTL電路的設(shè)計(jì)方案和工作原理

圖2是用TTL電路實(shí)現(xiàn)的擴(kuò)展串行口電路。74LS74是有預(yù)置、清零功能的雙上升沿D觸發(fā)器，D1～D5構(gòu)成8脈沖發(fā)生器（計(jì)數(shù)器原理），74LS165是8位并行輸入串行輸出移位寄存器。CPU執(zhí)行MOVX@R0，A（或MOVX @DPTR，A）指令時(shí)，數(shù)據(jù)被鎖存在74LS165中。產(chǎn)生8脈沖信號的時(shí)序如圖3所示。圖3中，Q0～Q5分別是6個(gè)D觸發(fā)器的輸出端，擴(kuò)展串行口片選有效（CE=0），寫脈沖WE到來時(shí)，WR=0，在時(shí)鐘脈沖XTAL2的上升沿觸發(fā)器D0的輸出Q0=0，Q0復(fù)位Q5，使Q5=1；寫脈沖結(jié)束后，WR=1，則WR·Q5=1，計(jì)數(shù)器的復(fù)位端無效，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，同時(shí)在Q1端輸出方波脈沖；第8個(gè)脈沖結(jié)束后，Q5=1，則WR·Q5=0，計(jì)數(shù)器被復(fù)位，停止計(jì)數(shù)，等待下一個(gè)寫脈沖。Q1端輸出的8個(gè)脈沖作為同步移位脈沖接74LS165的CLK2（15腳），同時(shí)也是擴(kuò)展串行輸出口的同步移位脈沖輸出信號：由MOVX指令鎖存在74LS165中的數(shù)據(jù)在同步移位脈沖（CLK）的作用下，從擴(kuò)展串行輸出口的數(shù)據(jù)端（DAT）輸出。

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四、基于PLD電路的設(shè)計(jì)方案

用可編程門陣列器件設(shè)計(jì)電路，可使電路簡化，器件數(shù)量減少。圖2中虛線框內(nèi)的8脈沖發(fā)生器電路用 1片GAL16V8D就可以實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。XTAL2是擴(kuò)展串行口時(shí)鐘脈沖輸入信號，WR是片選有效情況下的寫脈沖信號，Q1是8脈沖輸出端。根據(jù)圖 3所示時(shí)序圖寫出Q1～Q5的邏輯表達(dá)式，下面是GAL16V8D芯片的邏輯設(shè)計(jì)示例。

AFT16V8D
NAME：ED13_U00
AUTHOR：FUHAO
DATE：04.15.1999
；1 2 3 4 5 6 7 8 9 10（pin）
CLK WR NC NC NC NC NC NC NC GND
；11 12 13 14 15 16 17 18 19 20（pin）
OE Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 NC NC NC VCC
Q1：=/Q1*WR*/Q5
Q2：=/Q2*Q1*WR*/Q5
+Q2*/Q1*WR*/Q5
Q3：=/Q3*Q2*Q1*WR*/Q5
+Q3*/Q2*WR*/Q5
+Q3*/Q2*WR*/Q5
Q4：=/Q4*Q3*Q2*Q1*WR*/Q5
+Q4*/Q3*WR*/Q5
+Q4*/Q2*WR*/Q5
+Q4*/Q1*WR*/Q5
Q5：=/Q5*Q4*Q3*Q2*Q1*WR
+Q5*/Q4*WR
+Q5*/Q3*WR
+Q5*/Q2*WR
+Q5*/Q1*WR
DESCRIPTION
 
結(jié)束語

本文介紹的單片機(jī)擴(kuò)展高速串行同步移位輸出口的方法，以及給出的基于TTL和PLD兩種電路的實(shí)現(xiàn)方案，在LED點(diǎn)陣顯示屏系統(tǒng)中都已得到成功的應(yīng)用。擴(kuò)展串行口采用模塊化設(shè)計(jì)，很容易移植到其他應(yīng)用系統(tǒng)中。